[논문 리뷰] 'Sawfish' Photonic Crystal Cavity for Near-Unity Emitter-to-Fiber Interfacing in Quantum Network Applications

Julian M. Bopp, Matthias Plock외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 10.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 65인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 기반 양자 네트워크에서 발광체에서 광섬유로의 효율을 근접한 일치 수준으로 끌어올리기 위해 고도로 최적화된 'Sawfish' 광 결정 공진기 구조를 제안한다. 이는 최대 91.4까지의 높은 푸르셀 증폭(고도의 공진기 강화)과 βWG ≈ 0.986에 이르는 강력한 파이버 커플링을 동시에 구현함으로써 실현 가능하다. 이 설계는 제작 및 발광체 위치 변동에 대비하여도 효율적이고 확장 가능한 양자 광 신호 인터페이스를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Photon loss is one of the key challenges to overcome in complex photonic quantum applications. Photon collection efficiencies directly impact the amount of resources required for measurement-based quantum computation and communication networks. Promising resources include solid-state quantum light sources, however, efficiently coupling light from a single quantum emitter to a guided mode remains demanding. In this work, we eliminate photon losses by maximizing coupling efficiencies in an emitter-to-fiber interface. We develop a waveguide-integrated 'Sawfish' photonic crystal cavity and use finite element simulations to demonstrate that our system transfers, with 97.4% efficiency, the zero-phonon line emission of a negatively-charged tin vacancy center in diamond adiabatically to a single-mode fiber. A surrogate model trained by machine learning provides quantitative estimates of sensitivities to fabrication tolerances. Our corrugation-based design proves robust under state-of-the-art nanofabrication parameters, maintaining an emitter-to-fiber coupling efficiency of 88.6%. To demonstrate its potential in reducing resource requirements, we apply the Sawfish cavity to a recent one-way quantum repeater protocol.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 네트워크를 위한 고체 상태 양자 발광체에서의 낮은 발광체-광섬유 수집 효율 문제를 해결하기 위해.
• 실제 제작 허용 오차 조건 하에서 푸르셀 증폭과 파이버 커플링 효율을 동시에 최대화하는 광 결정 공진기 설계를 하기 위해.
• 통계적 및 기계 학습 기법을 활용해 발광체 위치 및 기하 구조 변동이 공진기 성능에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 실제 손실 및 오차 모델 하에서 주요 성능 지표를 평가함으로써 양자 재설계기 구조에의 통합을 최적화하기 위해.

제안 방법

• 349개의 유한요소법(FEM) 시뮬레이션 결과를 기반으로 훈련된 가우시안 프로세스(GP) 서rogate 모델을 활용해 매개변수 공간 전역에서 푸르셀 인자(FP) 및 파이버 커플링 효율(βWG)을 예측하였다.
• 공진기 기하 구조(ΔT, δ, Δg) 및 발광체 위치의 제작 불확실성을 다중변량 정규분포를 활용한 몬테카를로 샘플링으로 모델링하였다.
• 기본기반 결함 중심 및 질소 공존 결함 중심의 Debye-Waller 인자를 방사성 붕괴율과 푸르셀 증폭된 전이 확률을 기반으로 계산하였다.
• 실제 채널 조건 하에서 비밀 키율을 평가하기 위해 성능 지표를 양자 재설계기 비용 함수에 통합하였다.
• 재코딩 오류와 손실을 고려해 효과적 큐비트 전송 확률 ηe를 추정하기 위해 순차적 오차 모델(Rk)을 적용하였다.
• 오차율 Q = 2εtrans/3을 갖는 BB84 6상태 프로토콜을 사용해 비밀 비트 비율 f를 계산하였으며, 이는 비용 함수 C를 통한 비밀 키율 평가에 기여하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온칩 통합을 위한 고도의 파이버 커플링 효율을 동시에 확보할 수 있는 광 결정 공진기에서 도달 가능한 최대 푸르셀 인자는 얼마인가?
• RQ2 'Sawfish' 공진기에서 발광체 위치 및 기하 제작 변동은 푸르셀 인자와 파이버 커플링 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실제 제조 허용 오차 조건 하에서도 'Sawfish' 공진기가 근접한 일치 수준의 발광체-광섬유 효율을 얼마나 유지할 수 있는가?
• RQ4 트리-클러스터 상태 프로토콜을 사용하는 양자 재설계기 네트워크에서 공진기 성능은 비밀 키율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 발광체 위치의 진동과 기하 제작 오차를 모두 고려할 경우, 공진기의 예측 성능는 어떠한가?

주요 결과

• 'Sawfish' 공진기는 예측된 푸르셀 인수가 91.4 ± 3.2(18.3/26.0 불확실성 범위)에 이르며, 발광체 방출의 강력한 공진기 증폭을 나타낸다.
• 파이버 커플링 효율 βWG는 0.9863 ± 0.0014로 예측되어, 광섬유로의 거의 이상적인 빛 추출을 나타낸다.
• 실제 발광체 위치 진동(±25 nm)을 고려할 경우 중앙값 푸르셀 인수는 여전히 91.4로 높으며, 95% 신뢰구간은 65.4에서 117.7 사이에 분포한다.
• 기하 제작 허용 오차(ΔT: ±0.8 nm, δ: ±0.1°, Δg: ±0.8 nm)를 고려할 경우 중앙값 푸르셀 인수는 48.5로 감소하며, 넓은 불확실성 범위(15.0에서 96.5)를 보인다.
• 제작 변동에도 불구하고 파이버 커플링 효율은 높게 유지되어 βWG = 0.929 ± 0.054이며, 95% 신뢰구간은 0.788에서 1.000 사이에 분포한다.
• 1000 km 전송 조건 하에서, 재설계기 당 1 attenuation length당 예측 비밀 키율은 1.2 × 10⁻⁴ s⁻¹에 이르며, 장거리 양자 네트워크의 실현 가능성을 입증한다.